JVM是什麼？深刻解析JVM原理！

1、什麼是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，是經過在實際的計算機上仿真模擬各類計算機功能來實現的。由一套字節碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收堆和一個存儲方法域等組成。JVM屏蔽了與操做系統平臺相關的信息，使得Java程序只須要生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼），就可在多種平臺上不加修改的運行，這也是Java可以「一次編譯，處處運行的」緣由。

2、JRE、JDK和JVM的關係

JRE（Java Runtime Environment， Java運行環境）是Java平臺，全部的程序都要在JRE下才可以運行。包括JVM和Java核心類庫和支持文件。

JDK（Java Development Kit，Java開發工具包）是用來編譯、調試Java程序的開發工具包。包括Java工具（javac/java/jdb等）和Java基礎的類庫（java API ）。

JVM（Java Virtual Machine， Java虛擬機）是JRE的一部分。JVM主要工做是解釋本身的指令集（即字節碼）並映射到本地的CPU指令集和OS的系統調用。Java語言是跨平臺運行的，不一樣的操做系統會有不一樣的JVM映射規則，使之與操做系統無關，完成跨平臺性。

下圖表示了JDK、JRE和JVM三者間的關係：

總結：使用JDK（調用JAVA API）開發JAVA程序後，經過JDK中的編譯程序（javac）將Java程序編譯爲Java字節碼，在JRE上運行這些字節碼，JVM會解析並映射到真實操做系統的CPU指令集和OS的系統調用。

3、JVM原理

java 體系結構介紹：

Class Loader（類加載器）：用於裝載.class文件。

Execution Engine（執行引擎）：用於執行字節碼或者本地方法。

運行時數據區：方法區、堆、java棧、pc寄存器、本地方法棧。

一、JVM生命週期介紹

Java實例對應一個獨立運行的Java程序（進程級別）

（1）啓動

啓動一個Java程序，一個JVM實例就產生。擁有public static void main(String[] args)函數的class能夠做爲JVM實例運行的起點。

（2）運行

main()做爲程序初始線程的起點，任何其餘線程都可由該線程啓動。JVM內部有兩種線程：守護線程和非守護線程，main()屬於非守護線程，守護線程一般由JVM使用，程序能夠指定建立的線程爲守護線程。

（3）消亡

當程序中的全部非守護線程都終止時，JVM才退出；若安全管理器容許，程序也可使用Runtime類或者System.exit()來退出。

JVM執行引擎實例則對應了屬於用戶運行程序線程它是線程級別的。

二、Java類加載器

Java加載類的過程

（1）裝載（loading）

負責找到二進制字節碼並加載至JVM中，JVM經過類名、類所在的包名、ClassLoader完成類的加載。所以，標識一個被加載了的類：類名 + 包名 + ClassLoader實例ID。

（2）連接（linking）

負責對二進制字節碼的格式進行校驗、初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口。完成校驗後，JVM初始化類中的靜態變量，並將其賦值爲默認值。最後對比類中的全部屬性、方法進行驗證，以確保要調用的屬性、方法存在，以及具有訪問權限（例如private、public等），不然會形成NoSuchMethodError、NoSuchFieldError等錯誤信息。

（3）初始化（initializing）

負責執行類中的靜態初始化代碼、構造器代碼以及靜態屬性的初始化，如下四種狀況初始化過程會被觸發。

①調用 new

②反射調用了類中的方法

③子類調用了初始化

④JVM啓動過程終止定的初始化類

JVM類加載順序

（1）層級結構

①Booststrap ClassLoader

跟ClassLoader，C++實現，JVM啓動時初始化此ClassLoader，並由此完成$JAVA_HONE中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的實現）中全部class文件的加載，這個jar中包含了java規範定義的全部接口以及實現。

②Extension ClassLoader

JVM用此classloader來加載擴展功能的一些jar包

③System ClassLoader

JVM用此ClassLoader來加載啓動參數中指定的ClassPath中的jar包以及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名爲AppClassLoader。

④User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader是Java開發人員繼承ClassLoader抽象類實現的ClassLoader，基於自定義的ClassLoader可用於加載非ClassPath中的jar以及目錄。

（2）委派模式（Delegation Mode）

當JVM加載一個類的時候，下層的加載器會將任務給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經加載這個類，若是已經加載，直接使用這個類。若是沒有加載，繼續往上委託直到頂部。檢查以後，按照相反的順序進行加載。若是Bootstrap加載器不到這個類，則往下委託，直到找到這個類。一個類能夠被不一樣的類加載器加載。

可見性限制：下層的加載器可以看到上層加載器中的類，反之則不行，委派只能從下到上。

不容許卸載類：類加載器能夠加載一個類，但不可以卸載一個類。可是類加載器能夠被建立或者刪除。

（3）JVM執行引擎

類加載器將字節碼載入內存後，執行引擎以java字節碼爲單元，讀取java字節碼。java字節碼機器讀不懂，必須將字節碼轉化爲平臺相關的機器碼。這個過程就是由執行引擎完成的。

在執行方法時JVM提供了四種指令來執行

①invokestatic:調用類的static方法。

②invokevirtual:調用對象實例的方法。

③invokeinterface：將屬性定義爲接口來進行調用。

④invokespecial：JVM對於初始化對象（Java構造器的方法爲：）以及調用對象實例的私有方法時。

主要的執行計數：

解釋，即時執行，自適應優化、芯片級直接執行。

解釋屬於第一代JVM

即時編譯JIT屬於第二代JVM

自適應優化（目前sun的HotspotJVM採用這種技術），吸收第一代JVM和第二代JVM的經驗，採用二者結合的方式，開始對全部的代碼都採用解釋執行的方式，並監視代碼執行狀況，而後對那些常常調用的方法啓動一個後臺線程，將其編譯爲本地代碼，並進行優化。若方法再也不頻繁使用，則取消編譯過代碼，仍對其進行解釋執行。

三、java運行時數據區

四、PC寄存器

用於存儲每一個線程下一步將要執行的JVM指令，若該方法爲native的，則PC寄存器中不存儲任何信息。Java多線程狀況下，每一個線程都有一個本身的PC，以便完成不一樣線程上下文環境的切換。

五、JVM棧

JVM棧是線程私有的，每一個線程建立的同時都會建立JVM棧，JVM棧中存放當前線程中局部基本類型的變量（Java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆的地址。

六、堆（Heap）

它是JVM用來存儲對象實例以及數組值的區域，能夠認爲Java中全部經過new建立的對象的內存都在此分配，Heap中的對象的內存須要等待GC進行回收。

堆在JVM啓動的時候就被建立，堆中儲存了各類對象，這些對象被自動管理內存系統（Automatic Storage Management System），也就是常說的「Garbage Collector（垃圾回收器）」管理。這些對象無需、也沒法顯示地被銷燬。

JVM將Heap分爲兩塊：新生代New Generation和舊生代Old Generation

堆是JVM中全部線程共享的，所以在其上進行對象內存的分配均須要進行加鎖，致使new對象的開銷比較大。

Sun Hotspot JVM爲了提高對象內存分配的效率，對於全部建立的線程都會分配一塊獨立的空間TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據運行的狀況計算而得，在TLAB上分配對象時不須要加鎖，所以JVM在給線程對象分配內存時會盡可能的在TLAB上分配，在這種狀況下JVM中分配對象內存的性能和C基本是同樣的，但若是對象過大的話則仍然要直接使用堆空間分配。

TLAB僅做用於新生代的Eden Space，所以在編寫Java程序時，一般多個小的對象比大的對象分配起來更加高效。

全部新建立的Object都將會存儲在新生代Young Generation中。若是Young Generation的數據在一次或屢次GC後存活下來，那麼將被轉移到OldGeneration。新的Object老是建立在Eden Space。

七、方法區域（Method Area）

在Sun JDK中這塊區域對應的爲PermanetGeneration，又稱爲持久代。

方法區域存放所加載類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態變量、類中定義爲final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當開發人員在程序中經過Class對象中的getName，isInstance等方法來獲取信息時，這些數據都來源於方法區域，同時方法區域也是全局共享的，在必定條件下它也會被GC，當方法區域須要使用的內存超過其容許的大小時，就會拋出OutOfMemory的錯誤信息。

八、運行時常量池（Runtime Constant Pool）

存放的爲類中的固定常量信息、方法和Field的引用信息等，其空間從方法區域中分配。

九、本地方法堆棧（Native Method Stacks）

JVM採用本地方法堆來支持native方法的執行，此區域用於存儲每一個native方法調用的狀態。

十、JVM垃圾回收

GC的基本原理：將內存中再也不被使用的對象進行回收，GC中用於回收的方法稱爲收集器，因爲GC須要消耗一些資源和時間，Java在對對象生命週期特徵進行分析後，按照新生代、舊生代的方式來對對象進行收集，以儘量的縮短GC對應用形成的暫停。

對新生代的對象收集稱爲minor GC

對舊生代的對象收集稱爲Full GC

程序中主動調用System.gc（）強制執行的GC爲Full GC。

不一樣的對象引用類型，GC會採用不一樣的方法進行回收，JVM對象的引用分爲了四種類型：

①強引用：默認狀況下，對象採用的均爲強引用（這個對象的實例沒有其餘對象引用時， GC時纔會被回收）

②軟引用：軟引用是Java中提供的一種比較適合於緩存場景的應用（只有內存不夠的狀況下才會被GC）

③弱引用：在GC時必定會被GC回收。

④虛引用：虛引用只是用來得知對象是否被GC。